4.8 Металлургические процессы при автоматической сварке под флюсом

Сварочные флюсы различаются:

1)плавленые для электродуговой и электрошлаковой сварки и неплавленые (керамические) для электродуговой сварки;

2)по степени кислотности – кислые и основные;

3)по содержанию закиси марганца – безмарганцовистые (или низкомарганцовистые), содержащие MnO менее 15 %, среднемарганцовистые, содержащие MnO в пределах 15 – 30 %, и высокомарганцовистые, содержащие MnO более 30 %;

4)по характеру температурной зависимости вязкости – длинные и короткие;

5)по структуре зерен флюса – стекловидные и пемзовидные;

6)по степени легирования металла – нелегирующие, содержащие до 5 – 6 % MnO; легирующие, содержащие до 40 % MnO; фторидные, основой которых является CaF₂ и Na₃AlF₆ (криолит);

7)по назначению – для сварки малоуглеродистых, низколегированных и высоколегированных сталей.

Плавленые флюсы представляют собой искусственно приготовленные шлаки, содержащие силикаты или другие окислы с добавкой фтористых солей (ферросплавы при изготовлении плавленых флюсов не применяются). На практике широко применяются следующие марки плавленых флюсов: АН-348-А, АН-348-АМ, ОСЦ-45 (стекловидные, высокремнистые, высокомарганцовистые флюсы); АН-60 (пемзовидный флюс).

Керамические, или неплавленые флюсы представляют собой шихту тонкоизмельченных минеральных веществ ферросплавов, силикатов и других соединений, замешанную на жидком стекле и гранулированных до определенной крупности.

Так как дуга горит в пузыре из расплавленного флюса, закрытого слоем нерасплавленного флюса, то это хорошую изоляцию от атмосферного влияния, что подтверждается более низким содержанием азота в металле шва.

Одна из важнейших функций флюсов или электродных покрытий – металлургическая обработка металла шва: его раскисление, легирование, модифицирование и рафинирование.

В связи с активным развитием окислительных процессов при дуговой сварке практически всегда есть потребность раскисления металла. Однако одной операции раскисления недостаточно, так как металл теряет некоторые полезные примеси в результате не только окисления, но и прямого испарения под действием высоких температур. Для компенсации этих потерь, а также для введения в наплавленный металл специальных добавок различных элементов с целью повышения качества металла, параллельно с раскислением осуществляют и легирование металла. Наконец, наряду с раскислением и легированием, обязательно нужно рафинировать металл, т.е. очищать его от вредных примесей (серы и фосфоры).

Влияние взаимодействующих масс металла и флюса на концентрацию элемента в металле шва может быть найдено из уравнения материального баланса элемента Э до и после сварки:

m_э.м[Э]_э.м + m_о.м[Э]_о.м + m_ф(Э)_ф = m_шв[Э]_шв + m_шл(Э)_шл,

где m_э.м, m_ом, m_ф, m_шв, m_шл – масса электродного металла, основного металла, флюса, металла шва и шлака соответственно.

[Э]_э.м, [Э]_о.м, (Э)_ф, [Э]_шв, (Э)_шл – концентрация элемента в электродном металле, в основном металле, во флюсе, в металле шва и в шлаке соответственно.

Учтя, что (Э)_шл/[Э]_шв = L – константа распределения элемента между шлаком и металлом шва, а m_шл /m_шв = β – коэффициент эффективности массообмена, который оценивается отношением массы флюса, реально участвовавшего в массообмене, к массе расплавленного металла (m_ф значительно меньше массы расплавленного при сварке флюса); допуская, что m_ф ≈ m_шл, -- доли участия электродного и основного металлов в формировании шва, окончательно получаем:

Таким образом, для расчетного определения химического состава металла шва нужно знать концентрации элемента в исходных материалах, доли участия основного и электродного металлов в формировании шва, относительную массу β взаимодействующего с металлом шлака и константу распределения.

Наибольшие затруднения при расчетах вызывает недостаток данных о значении L. В ряде случаев L можно найти через константу равновесия реакции или определить экспериментально.

Коэффициент β находят экспериментально – с помощью метода элемента – свидетеля. Во флюс добавляют небольшое количество (1 – 2 %) элемента – свидетеля. В качестве свидетеля используют неокисляющиеся элементы, не взаимодействующие с флюсом, свободно и неограниченно растворяющиеся в металле шва – благородные металлы, никель, в некоторых случаях медь. Свидетель не должен входить в состав основного и электродного металлов. Так как элемента – свидетеля нет ни в основном ни в электродном металле, то [Э]_э.м = 0 и [Э]_о.м = 0. Элемент не растворим в шлаке и неограниченно растворим в металле, следовательно, L = 0 и из приведенного уравнения получаем:

[Э]_шв = β(Э)_ф, β = [Э]_шв/(Э)_ф.

Коэффициент эффективности массообмена β зависит от многих факторов: от физических свойств шлаковой основы флюса или покрытия – ее жидкотекучести, вязкости, плотности и т.п.; от гидродинамической обстановки в реакционной зоне. Обстановка в сою очередь определяется величиной сварочного тока, напряжением дуги, величиной и направлением электромагнитных сил, газовых потоков и т.д.

Раскисление металла шва с получение конденсированных продуктов реакции сопровождается образованием конденсированных оксидов, нерастворимых в металле и всплывающих в шлак. К числу раскислителей, образующих такие оксиды, относятся Si, Mn, Ti, Al и др.

В общем виде реакция раскисления железа:

m[FeO] + n[Pa] = [Pa_nO_m] + m[Fe], где Ра – расислитель.

Константа равновесия реакции

Но в сталях [Fe] ≈ 1, поэтому равновесная концентрация свободной закиси железа в металле

Следовательно, концентрация закиси железа уменьшается с повышением содержания раскислителя и уменьшением концентрации оксидов данного раскислителя в металле.

Таким образом, для определенных температур можно установить зависимость между концентрацией раскислителя и находящей с ней в равновесии концентрацией закиси железа. Тогда, задаваясь допустимым содержанием [FeO], определяют концентрацию в металле. Типичные реакции раскисления:

3FeO + 2Al = Al₂O₃ + 3Fe

2FeO + Si = SiO₂ + 2Fe

2FeO + Ti = TiO₂ + 2Fe

FeO + Mn = MnO + Fe

3FeO + 2Cr = Cr₂O₃.

Характерные черты наиболее важных раскислителей этой группы:

1.Кремний (Т_пл = 1440⁰С; Т_кип = 2630⁰С;γ = 2,37 г/см³). При окислении образует нерастворимый в металле кислотный оксид, который легко создает комплексы, в том числе и с FeO. Силикаты железа всплывают на поверхность металла и переходят в шлак.

Так как оксиды кремния увеличивают кислотность шлака, а вместе с тем и его вязкость, введение кремния в сварочную ванну ограничивают.

2.Марганец. При окислении марганец превращается в закись MnO – относительно сильный основной оксид, нерастворимый в металле. С увеличением марганца в металле концентрация в нем закиси железа уменьшается, однако влияние кремния оказывается сильнее.

3.Титан относится к числу сильных раскислителей, более сильных, чем кремний и марганец. Образующийся кислотный оксид TiO₂ нерастворим в металле, легко вступает в комплексы, переходящие в шлак. Вместе с этим, титан сильный модификатор, т.е. элемент, способствующий измельчению зерна в металле.

4.Алюминий – наиболее сильный раскислитель этой группы. Образует амфотерный оксид Al₂O₃. Раскисление жидкого металла алюминием сопровождается значительным выделением тепла, что благотворно влияет на протекающие процессы. Однако окись алюминия с трудом всплывает на поверхность сварочной ванны и частично остается в шве в виде неметаллических включений. Это одна из причин незначительного применения алюминия как раскислителя при сварке сталей.

Раскисление с получением газообразных продуктов реакции. Две типичные реакции – раскисление углеродом и раскисление водородом.

Раскисление углеродом. Этот процесс идет по реакции:

[FeO] + [C] = CO + [Fe].

Константа равновесия для этой реакции:

Равновесная концентрация закиси железа в металле, считая, что содержание железа в стали близко к единице, и выразив концентрацию окиси углерода через парциальное ее давление р_СО

Если полагать приближенно, что в процессе сварки в области высоких температур р_СО = 1 ат, то

Таким образом, концентрация закиси железа в сварочной ванне обратно пропорционально концентрации углерода. Растворимость окиси углерода в расплавленном железе ничтожно мала. Вследствие этого образующаяся окись углерода выделяется в виде пузырьков, стремящихся всплыть из сварочной ванны и вызывающие ее кипение. Если реакция раскисления углеродом продолжается и при температуре кристаллизации металла, то газовые пузыри не успеют удалиться из металла и останутся в твердом металле в виде пор. Поэтому всегда желательно подавить эту реакцию при понижении температуры сварочной ванны другими реакциями раскисления, при которых газы не выделяется. Это достигается повышением концентрации других раскислителей (Ti, Si, Mn и др.) в металле и понижением концентрации углерода.

Аналогичные процессы раскисления с образованием газообразной фазы могут происходить при взаимодействии окисленного металла с водородом. Недостатком водорода как раскислителя является его высокая растворимость в металлах, которая может привести к образованию пор и трещин.

Реакция раскисления водородом:

[FeO] + [H₂] = [H₂O] + [Fe].

Раскисление металла кислыми шлаками. В таких шлаках наблюдается реакция связывания закиси железа в силикаты железа, нерастворимые в металле:

(FeO) + (SiO₂) = (FeO*SiO₂)

с константой равновесия реакции

Связывание FeO в силикаты вызовет дополнительный переход ее из металла в шлак (FeO) = L[FeO], где L – константа распределения.

Тогда

Разрешим эту зависимость относительно [FeO]:

Таким образом, при использовании кислых шлаков для уменьшения закиси железа в металле следует увеличить содержание кислотного оксида SiO₂ в шлаке, т.е. повысить кислотность шлака и одновременно уменьшить количество образующихся в нем силикатов железа.

Однако повышение содержания SiO₂ в шлаке приводит к ухудшению его свойств. Шлак становится длинным, густым, его активность резко падает, нарушается и стабильность процесса сварки. Поэтому целесообразно:

1.Заменять SiO₂ двуокисью титана TiO₂ полностью или частично. Этим удается сохранить нужную степень кислотности шлака, сделать его более жидкотекучим и коротким, придать ему нужную химическую активность.

2.Попутно вносить в такие шлаки элементы-раскислители, дающие основные оксиды. Их роль сводится к восстановлению железа из силиката и уменьшению в шлаке содержания силикатов железа, например:

(FeO*SiO₂) +(Mn) = (MnO*SiO₂) + [Fe].

Раскисление металла основными шлаками. В основных шлаках, в отличие от кислых, есть избыток основных оксидов, наиболее сильным из которых является СаО. Такие шлаки не обладают способностью к диффузионному раскислению, так как имеющиеся в них незначительные количества SiO₂ (или TiO₂) сразу же будут связываться в комплексные соединения с основными оксидами шлака:

(CaO) + (SiO₂) = (CaO*SiO₂)

и шлак не будет извлекать FeO из металла.

Для раскисления металла в основные шлаки вводят специальные добавки – раскислители:

m[FeO] + n[Pa] = (Pa_nO_m) + m[Fe]

с константой равновесия

Считая, что в сталях [Fe] = 1, решаем уравнения относительно [FeO];

Чтобы снизить содержание FeO в металле, следует увеличить в нем количество раскислителя (Pa) и уменьшить содержание (Pa_nO_m) оксида раскислителя в шлаке. Продукты раскисления (Pa_nO_m) перейдут в шлак. Обогащаясь этими оксидами, шлак теряет свою раскисляющую способность. Для повышения ее нужно:

1.Одновременно вносить несколько раскислителей.

2.Разбавлять шлаки специальными добавками, которые уменьшают в них содержание оксида раскислителя.